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  • 水电站进水球阀结构示意图-德国莱克阀门
    发布日期:2017-5-24


    水轮机机组对进水球阀的性能有极高的要求:承受高压、密封性能优良、低故障率。这就意味着焊接结构的球阀必须具有性能优良的焊接接头和高尺寸精度。进水球阀的尺寸规格大,活门、阀体焊接接头多,焊接量大。以厄瓜多尔米纳斯水电站进水球阀为例,其结构尺寸达到3870mm×3050mm,焊接的部位多达50多处,部件之间的连接主要使用了坡口焊、角焊、复合焊等焊接方法,其整体装配结构如图1(a)所示。其中,活门为整体焊接结构,阀体分成两半,装入活门后焊成整体,不可拆卸,其焊接部位多为曲面与曲面之间,焊接工作最为复杂,如图1(b)所示。

    图1 某水电站进水球阀结构示意图

    1.2 进水球阀的三维建模

    UG是一款CAD/CAM/CAE集成系统,支持三维的参数化建模,是当前国际流行的工业设计平台。UG的建模功能强大,其主要的建模方法有:实体建模、特征建模、自由曲面建模和用户自定义特征等,其中,特征建模是其CAD的核心建模工具。由于进水球阀结构中存在很多拉伸、倒角、腔体等外形特征,因此选择特征建模为主要的建模方法。采用自顶向下的设计方法,首先在UG/NX 8.0中建立各个部件节点,然后再在建模环境下建立进水球阀各子部件的实体模型,并将零部件分级装配。装配完成的进水球阀三维模型如图2所示。

    图2 进水球阀三维模型

    1.3 基于三维模型的焊接连接表达

    在装配完成的球阀实体模型上进行焊接工艺的表达。进行焊接表达时,针对简单的焊接,如平板的坡口焊、角焊等,直接利用UG/NX 8.0提供的焊接助理进行对应的表达,即在焊接助理中选择焊接类型,输入焊缝截面尺寸,选取焊缝与平板表面的两个重合边为起始边和终结边,采用连续焊接方式,最后可以生成相应位置的焊缝模型,如图3(a)所示。对于焊缝形状较为复杂的焊缝,如空间曲面间连接部位的焊接,首先通过UG提供的扫掠、管道等操作,生成对应焊缝形状的焊缝模型,然后再根据原模型和其求差,得到开完焊缝的模型,最后利用焊接助理中的自定义焊缝功能将其定义成焊缝,进行完焊接表达的实体模型如图3(b)所示。最终,将整套阀体中所有焊接部位的焊接表达完全。

    图3 球阀实体模型的焊接工艺表达

    2 焊接工艺计算模块的开发

    焊接工艺计算模块所要实现的是根据表达完焊接的模型及相关设计参数自动分析出所用的焊接类型、焊缝长度、焊接横截面积和焊接连接的部件等信息。根据球阀焊接设计和三维建模的特点,整个模块的开发包含焊接类型的判断、焊接连接部件的分析、焊接工艺信息的计算和焊接信息的保存等4个步骤,如图4所示。

    图4 焊接工艺计算模块开发步骤

    2.1 焊接类型的判断

    焊接类型判断主要实现的功能是识别三维模型中的焊接特征和对应的焊接类型。其算法流程如图5所示。具体判断过程如下:①获取阀体三维造型中的所有特征;②通过对每个特征的类型进行判断,确定其是否为焊接特征,UG/NX中焊接特征包含一个is_weld标识,利用其值的真假可以实现具体的判断;③对确定为焊接特征的特征查询其特征id,判断为何种焊接类型;④针对不同的焊接类型进行不同颜色的高亮显示,用于区分。表1为不同焊接对应的信息。通过特征id可以判断该焊接特征具体为哪一类型的焊接,识别之后应用不同颜色加以区分,便于查看。

    图5 焊接类型判断算法流程

    表1 焊接特征信息及其标识

    2.2 焊接连接部件的分析

    焊接连接部件的分析有助于更加清晰地查看各个焊接特征的信息,方便后期的模拟分析和强度计算等。对经焊接特征识别后的焊缝,通过进一步的处理,获取每个焊接特征所连接的部件。对于直接应用焊接助理生成的坡口焊、角焊等焊接特征,调用UG/Open提供的API获取连接部件的标识,通过这些标识获取部件的名称信息。对于自定义焊接,根据进水球阀焊接的特性,这类焊接多为空间曲面位置不易直接生成的焊缝,与焊缝相交的部件一般都是两个,从所有的部件中筛选出与需要判断的焊缝相交的部件,便是此焊缝连接的部件。

    2.3 焊接尺寸和焊条重量的计算

    通过上述步骤得到的焊接特征和其所连接的部件可以用来计算相关焊缝的尺寸,分析所需焊条的重量,方便后续加工工时的计算和排布等。

    焊接尺寸信息包括焊缝的长度、截面面积和体积等。基于UG/NX焊接助理的焊接表达,每个焊接特征包括了焊接引导线和焊缝截面形状的信息。焊接引导线为焊缝的延伸方向,对于水轮机进水球阀中的大部分焊接,焊接部位较为规则,焊缝形状为长条或者圆环,通过计算该引导线的曲线长度可以得到该焊缝的长度,焊缝的截面面积由截面形状决定。对于复杂的空间曲面部位的焊接,通过连接部件的判断可以获取这些部件之间的交线,通过求取交线的长度得到焊缝的长度,刘万增、陈军、金舒平等人提出了一种空间曲线长度计算与精度评价模型,应用该方法可以提高空间曲线长度计算的精度。

    进水球阀各个部位的焊接比较均匀,同一处焊缝沿着引导线的熔深基本一致,每个焊缝的体积近似处理为截面面积和焊缝长度乘积。该位置所需焊条的重量由焊条消耗定额计算公式得到:焊条重量=焊缝断面积×焊缝长度×钢比重/消耗率。利用这些计算得到的信息,可以预估焊接加工的工作量,焊接工作人员的加工效率以经验值为参考,不同类型的焊接分开统计,评估相应的加工工时,从而达到提高生产过程控制效率的目的。

    2.4 焊接信息的打印

    将所有分析得到的焊接信息(包括焊缝的位置、连接部件、尺寸信息、所需焊条重量等)保存为文本或者电子表格形式进行打印,并方便修正和审阅。

    本模块采用保存为文本文件的方式记录,计算和分析得到的结果边处理边写入文本记录。通过获取三维模型中配置好的项目属性信息,包括项目名称、阀体类型和工程代号等,焊接信息文件保存为与项目相关的名称,并保存到对应工程目录中。

    3 应用实例

    为了验证本模块的实际应用性能,以某水电站所用的进水球阀的焊接相关工艺为例进行分析计算。

    (1)输入该进水球阀的三维模型,并进行焊接表达。应用焊接工艺计算模块进行分析后,得到焊接特征识别后的三维模型,如图6所示(以进水球阀中曲柄结构为例),不同焊接部位通过不同颜色加以区分。

    图6 曲柄结构焊接模块识别后的结果

    (2)程序会自动计算不同焊接的位置、尺寸,统计某类型焊接的信息,并保存在文本文件中,计算结果(部分数据)如图7所示。

    图7 焊接工艺计算模块计算结果

    计算结果表明,利用该系统可以对进水球阀的焊接信息进行快速分析、计算和统计,较之前的手工标注和经验评估的方式效率显著提高,从而验证了该模块的正确性和实用性。

    4 结语

    根据水轮机进水球阀的结构特点和其焊接表达的要求,基于UG/NX8.0对进水球阀进行三维建模和焊接工艺表达,并在该平台上开发了焊接工艺计算模块。该模块通过焊接类型的判断、焊接连接部件的分析、焊接工艺信息的计算和焊接信息的保存等4个步骤实现了水轮机进水球阀的焊接信息分析。通过实际应用,该模块能够快速分析和计算出进水球阀焊接表达的信息,验证了该焊接分析模块的正确性和实用性。

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